KR100721055B1 - Fabrication Method for p-Type Zinc Oxide Thin Films by Atomic Layer Deposition - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자층 증착법에 의한 p 형 산화아연 박막의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아연 원, 산소 원 및 도펀트 소스를 교대로 공급하여 산화아연 박막을 형성하고, 이를 열처리함으로써 제조되는 원자층 증착법에 의한 p 형 산화아연 박막의 제조 방법에 대한 것으로서, 본 발명에 의한 p 형 산화아연 박막은 광학적, 구조적, 전기적 특성이 우수하여 발광다이오드, 레이저다이오드 등 발광디바이스의 대량 생산을 위한 상업화를 가속화시킬 수 있는 유용한 효과를 제공할 수 있다. The present invention relates to a method for producing a p-type zinc oxide thin film by the atomic layer deposition method, and more particularly, an atom prepared by alternately supplying a zinc source, an oxygen source, and a dopant source to form a zinc oxide thin film, and heat-treating the same. A p-type zinc oxide thin film is manufactured by a layer deposition method. The p-type zinc oxide thin film according to the present invention has excellent optical, structural, and electrical properties, and is commercialized for mass production of light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes. It can provide useful effects that can be accelerated.

원자층 증착법, 발광다이오드, 레이저다이오드, 산화아연 박막 Atomic layer deposition, light emitting diodes, laser diodes, zinc oxide thin films

Description

원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법{Fabrication Method for p-Type Zinc Oxide Thin Films by Atomic Layer Deposition}Fabrication Method for p-Type Zinc Oxide Thin Films by Atomic Layer Deposition

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 당 소스 공급 시퀀스를 나타낸 도면; 1 illustrates a per cycle source supply sequence in accordance with one embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 도핑 후 ZnO 박막의 전기적 특성을 나타낸 그래프; 및 2 is a graph showing the electrical characteristics of the ZnO thin film after ammonia doping according to an embodiment of the present invention; And

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 도핑 및 후열처리에 의한 효과를 나타내는 원자모델의 모식도. Figure 3 is a schematic diagram of an atomic model showing the effect of the ammonia doping and post-heat treatment according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 원자층 증착법에 의한 p 형 산화아연 박막의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아연 원, 산소 원 및 도펀트 소스를 교대로 공급하여 산화아연 박막을 형성하고, 이를 열처리함으로써 제조되는 광학적, 구조적, 전기적 특성이 우수한 p 형 산화아연 박막의 제조 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a p-type zinc oxide thin film by atomic layer deposition, and more particularly, to supply a zinc source, an oxygen source and a dopant source alternately to form a zinc oxide thin film, and optically produced by heat treatment The present invention relates to a p-type zinc oxide thin film having excellent structural and electrical properties.

아연 산화물 (Zinc Oxide; ZnO)은 우수한 광학적, 전기적 그리고 압전 특성으로 인해 지난 수십 년 동안 많은 연구가 수행되고 있는 재료로서 표면 음향 소자, 투명 전극 및 광소자 등에 응용 가능성이 크다.Zinc Oxide (ZnO) is a material that has been studied for many decades because of its excellent optical, electrical and piezoelectric properties. It is highly applicable to surface acoustic devices, transparent electrodes and optical devices.

특히, ZnO는 3.37 eV의 넓은 밴드 갭 (band gap)을 갖고 있고, Mg 등의 첨가에 의해 밴드갭을 4 eV까지 변화시킬 수 있기 때문에 자외선 영역의 레이저를 발진할 수 있는 차세대 광소자용 재료로 주목받고 있다. In particular, ZnO has a wide band gap of 3.37 eV, and the band gap can be changed to 4 eV by the addition of Mg. Therefore, ZnO attracts attention as a next-generation optical device material capable of generating a laser in the ultraviolet region. I am getting it.

비록, GaN을 기본으로 하는 Ⅲ 족 질화물에 대한 광소자 연구가 활발히 진행되어 응용 단계까지 도달하였으나, 대부분의 GaN을 기반으로 하는 질화막은 성장시 1000 ℃ 이상의 고온이 요구되고 있어 기판 선택에 제약이 있기 때문에 실 공정에서 가장 많이 사용되고 있는 실리콘 기판에서 양질의 에피 박막 성장이 어려운 단점이 있다. Although the research on the optical device for GaN-based group III nitride has been actively conducted, it has reached the application stage. However, most GaN-based nitride films require a high temperature of 1000 ° C or higher to grow, thus limiting substrate selection. As a result, it is difficult to grow a good quality epitaxial film on a silicon substrate which is most used in a real process.

반면, ZnO는 여기자 결합 에너지 (exiton binding energy)가 상온에서 60 meV로 GaN의 28 meV에 비해 상당히 크므로, 상온 및 고온에서 동작할 수 있는 광소자의 효율을 극대화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, ZnO는 500 ℃ 정도의 비교적 낮은 온도에서 양질의 에피 박막 성장이 가능하기 때문에 실리콘 기판 위에서도 GaN에 비해 에피 성장이 용이한 장점이 있어 실용화를 위한 유리한 위치에 있다.On the other hand, ZnO has an advantage that the exciton binding energy (exiton binding energy) is 60 meV at room temperature, which is considerably larger than 28 meV of GaN, thereby maximizing the efficiency of an optical device capable of operating at room temperature and high temperature. In addition, since ZnO is capable of growing a high quality epi thin film at a relatively low temperature of about 500 ° C., ZnO has an advantage of easy epitaxial growth over GaN even on a silicon substrate, and thus is in an advantageous position for practical use.

이러한 재료상의 장점으로 인해 1990년대 이후로 고품위의 ZnO 에피 박막을 얻기 위한 많은 연구가 수행되고 있다. ZnO 박막에 대한 초기 연구는 대부분 ITO (Indium-Tin-Oxide)를 대체할 수 있는 투명 전극용 소자로의 응용을 위한 연구가 많이 행해졌고, 증착 공정도 대부분 스퍼터링 공정을 이용하였으며, 발표되는 결정 품질은 상당히 좋지 않았다. 이후 GaN을 기본으로 하는 광소자 연구 개발의 활성화를 계기로 90년대 후반부터 양질의 에피 박막을 얻기 위한 연구가 본격화되었다. Due to these material advantages, many studies have been conducted to obtain high quality ZnO epitaxial films since the 1990s. Most of the initial research on ZnO thin films has been conducted for the application to transparent electrode devices that can replace ITO (Indium-Tin-Oxide), and the deposition process also uses the sputtering process. Was not quite good. Since then, with the activation of GaN-based optical device research and development, research to obtain high quality epi thin films has begun.

ZnO 기반의 광소자를 실용화하는 데 가장 큰 문제점은 도핑하지 않은 증착 상태 (as-grown)의 ZnO 박막이 n 형 특성을 나타내므로 p 형 ZnO 박막을 제조하기 어렵다는 것이다. Iwata 등은 ZnO 박막 성장 시 질소 첨가를 통해 p 형 박막 제조를 시도하였으나 p 형으로의 전환은 관찰되지 않았다고 보고하고 있고, 현재까지 ZnO의 p 형 도핑은 어려운 실정이다.The biggest problem in the practical application of ZnO-based optical devices is that it is difficult to produce a p-type ZnO thin film because an undoped ZnO thin film has an n-type property. Iwata et al. Reported that p-type thin film was manufactured by adding nitrogen when ZnO thin film was grown, but conversion to p-type was not observed. Until now, p-type doping of ZnO has been difficult.

레이저 등의 광소자로의 응용을 위해서는 고품위의 단결정이 요구되나, ZnO는 현재까지 벌크 형태의 단결정 제조가 용이하지 않기 때문에 필연적으로 이종 에피 성장을 해야 한다. 그러나, 대부분의 기판 재료 ( 실리콘, 사파이어 등)와 격자 상수 차이가 크기 때문에 성장된 박막은 많은 결함이 존재하게 되며, 이들은 광 물성 등에 큰 악영향을 미치므로 최소화되어야 한다.High-quality single crystals are required for application to optical devices such as lasers. However, ZnO is inevitably heterogeneous epitaxial growth since bulk single crystals are not easy to date. However, due to the large difference in lattice constant from most substrate materials (silicon, sapphire, etc.), the grown thin films have many defects, and they have to be minimized since they have a great adverse effect on mineral properties.

또한, 일반적으로 ZnO 박막은 Zn의 침입형 원자 (interstitial atom)나 산소 공공 (vacancy)에 의해 n 형의 전기전도도를 나타내기 때문에 p 형으로의 도핑이 심각한 문제가 되고 있으며, 광소자 특성에 가장 큰 영향을 주는 재료 자체의 점결함, 격자 불일치로 야기되는 계면 결함, 플라즈마 내의 산소 이온 효과 등에 대한 연구는 미진한 상태이다.In addition, ZnO thin films generally exhibit n-type electrical conductivity due to Zn interstitial atoms or oxygen vacancies. Research on the effect of point defects on the material itself, interfacial defects caused by lattice mismatches, and the effect of oxygen ions in the plasma is insufficient.

아울러, 광학 재료로 사용되는 ZnO 박막은 고품질의 결정성과 균일성을 필요로 한다. 이러한 요구를 충족하기 위하여 분자선 에피택시 (MBE; Molecular Beam Epitaxy), 펄스 레이저 증착법 (PLD; Pulsed Laser Deposition), 화학기상증착법 (CVD; Chemical Vapor Deposition), 유기금속 화학기상 증착법 (MOCVD; Metal Organic CVD), 유기금속 분자선 에피택시 (MOMBE; Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy) 및 스퍼터링 (Sputtering) 등이 최근 사용되고 있다. 그 중에서도 MOCVD 방법이 ZnO 박막의 대량 생산을 위해 널리 사용되어 오고 있다. In addition, ZnO thin films used as optical materials require high quality crystallinity and uniformity. To meet these demands, Molecular Beam Epitaxy (MBE), Pulsed Laser Deposition (PLD), Chemical Vapor Deposition (CVD), Metal Organic CVD (MOCVD) ), And metal-organic molecular beam epitaxy (MOMBE) and sputtering have recently been used. Among them, the MOCVD method has been widely used for mass production of ZnO thin films.

그러나, 현재까지 원자층 증착법 (ALD; Atomic Layer Deposition)에 의한 ZnO 박막을 제조한 연구는 미미한 실정이다.However, until now, research on the production of ZnO thin films by atomic layer deposition (ALD) has been limited.

원자층 증착 기술(ALD; Atomic Layer Depostion)은 회로선폭이 100 nm 이하인 나노급 반도체의 개발이 본격화되면서, 그 연구가 활발하게 이루어지고 있는 기술이다. ALD는 원자층 단위로 박막을 형성하는 첨단기술로, 뛰어난 균일도의 극박 막 증착이 가능하기 때문에 나노급 반도체 제조의 필수적인 증착 기술로 주목받고 있다.Atomic Layer Depostion (ALD) is a technology that is being actively researched as the development of nanoscale semiconductors having a circuit line width of 100 nm or less in earnest. ALD is an advanced technology for forming thin films on an atomic layer basis, and is attracting attention as an essential deposition technology for nanoscale semiconductor manufacturing because it enables ultra-thin film deposition with excellent uniformity.

ALD는 자기제한적 성막법으로 반응기체들을 번갈아 공급하여 기판 위에 한 원자 층씩 흡착되도록 하는 기술로 박막두께를 반응기체들의 공급 회수로 조절하여 수 nm의 얇은 두께도 매우 재현성있게 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 면적에 걸쳐 균일한 증착이 가능하다는 여러 가지 장점을 갖고 있다. 또한, 낮은 증착온도에서도 박막의 특성이 매우 우수하고 높은 단차의 트렌치나 홀 내에서도 거의 100%의 피복율을 보이는 등 장점이 많아, 나노급 반도체 제조에 가장 적합한 증착 기술로 평가되고 있다. ALD is a self-limiting film deposition technique that alternately supplies the reactants to adsorb one atomic layer on the substrate. It has several advantages of being able to deposit uniformly over the area. In addition, the thin film has excellent characteristics even at low deposition temperatures, and has a number of advantages such as showing a nearly 100% coverage even in trenches or holes having a high step height, and thus, it is evaluated as the most suitable deposition technique for manufacturing nanoscale semiconductors.

대한민국 공개특허 제2003-11399호(2003.02.11)에는 플라즈마를 이용한 원자층 증착기술 (PEALD; Plasma-Enhanced ALD)이 개시되어 있으며, 대한민국 등록특허 제496265호(2005.06.10)에도 원자층 증착법 (ALD)과 플라즈마 인가 원자층 증착법 (PEALD)을 교대로 실시하면서 박막을 형성하되 실시 비율을 조절하여 박막의 증착 속도, 조밀도 및 이와 관련된 굴절률, 유전상수, 전기저항 등의 물리적 특성을 예측 및 제어할 수 있는 반도체 소자의 박막 형성 및 그 제어 방법 등 다수가 개시되어 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-11399 (February 11, 2003) discloses an atomic layer deposition technique (PEALD; Plasma-Enhanced ALD) using plasma, and the Korean Patent No. 496265 (June 10, 2005) discloses an atomic layer deposition method ( ALD) and plasma-applied atomic layer deposition (PEALD) are alternately formed to form a thin film, and the ratio is controlled to predict and control physical properties such as deposition rate, density and related refractive index, dielectric constant, and electrical resistance of the thin film. Many films, such as a thin film formation of the semiconductor element and its control method, are disclosed.

그러나, 현재까지 ALD 법으로 ZnO 박막을 투명전도막으로 사용하기 위해 유 리 기판에 붕소 (boron)이 도핑된 n 형의 ZnO 박막을 성장시켰다는 보고가 유일하며, ALD 법에 의해 질소가 도핑된 p 형의 아연 산화물 반도체 박막을 제조한 예는 없다.However, to date, the only report is that a boron-doped n-type ZnO thin film was grown on a glass substrate in order to use the ZnO thin film as a transparent conductive film by the ALD method, and a nitrogen-doped p was grown by the ALD method. There is no example of manufacturing a zinc oxide semiconductor thin film.

이에 본 발명자들은 발광디바이스의 대량생산에 유용한 p 형의 산화아연 박막을 제조하기 위해 예의 연구하던 중, 원자층 증착법에 의해 n 형의 산화아연 박막을 형성한 다음, 이를 열처리하여 홀 농도를 증가시키면 고품위의 광학적, 구조적 및 전기적 특성 등 광발광 특성이 우수한 p 형의 산화아연 박막을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors are intensively researching to produce a p-type zinc oxide thin film useful for mass production of light emitting devices, and by forming an n-type zinc oxide thin film by atomic layer deposition, heat treatment is performed to increase the hole concentration. The present invention has been completed by discovering that a p-type zinc oxide thin film having excellent photoluminescence properties such as high quality optical, structural and electrical properties can be manufactured.

따라서, 본 발명은 증착 두께의 제어가 가능하고 넓은 면적에 걸쳐 균일한 증착이 가능하여 덮임성이 우수할 뿐만 아니라 고품위의 결정성, 전기적 및 광학적 특성이 향상된 원자층 증착법에 의한 p 형 산화아연 박막의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a p-type zinc oxide thin film by the atomic layer deposition method which can control the deposition thickness and enables uniform deposition over a large area, not only excellent coverage but also high quality crystallinity, electrical and optical properties. Its purpose is to provide a method for producing a.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, (가) 원자층 증착법에 의해 산화아연 박막을 성장시키는 단계; 및 (나) 산소 분위기 하에서 후열처리를 수행하여 상기 산화아연 박막 내 홀을 생성하는 단계를 포함한다.The present invention to achieve the above technical problem, (A) growing a zinc oxide thin film by atomic layer deposition; And (b) performing post-heat treatment in an oxygen atmosphere to produce holes in the zinc oxide thin film.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

단계 (가)에서는, 원자층 증착법에 의해 산화아연 박막을 성장시킨다.In step (a), a zinc oxide thin film is grown by atomic layer deposition.

본 발명에 따른 산화아연 박막 형성 공정은 화학기상증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition) 등의 공정 대신에 엄격한 도핑 농도 제어성을 갖는 단차 피복성이 극히 우수한 원자층 증착법 공정을 적용한 것이다 .The zinc oxide thin film forming process according to the present invention employs an atomic layer deposition method having extremely high step coverage with strict doping concentration controllability instead of chemical vapor deposition (CVD).

상기 원자층 증착법 (ALD; Atomic Layer Deposition)은 반응기에 아연 원 및 산소 원과 같은 반응 기체들을 교대로 분리 공급하여 박막을 증착시키는 방법으로, 본 발명에 따른 산화아연 박막의 성장은 반응기에 아연 원, 산소 원 및 도펀트의 주입순서를 달리하여 기판 상에 아연 함유 화학종, 산소 함유 화학종 및 도펀트를 각각 증착시킴으로써 1 주기가 완료되어 제 1층의 산화아연 박막층이 형성되는 공정으로 진행된다. Atomic Layer Deposition (ALD) is a method of depositing a thin film by alternately supplying reactive gases such as a zinc source and an oxygen source to a reactor. By depositing the zinc-containing species, the oxygen-containing species and the dopants on the substrate in different order of injection of the oxygen source and the dopant, one cycle is completed and the zinc oxide thin film layer of the first layer is formed.

이에 따라, 본 발명의 ALD에 따른 p 형 산화아연 박막의 형성 단계는 바람직하게는, Accordingly, the step of forming the p-type zinc oxide thin film according to the ALD of the present invention is preferably,

a) 아연 원을 공급하여 기판 상에 아연 함유 화학종을 증착시키는 단계;a) supplying a zinc source to deposit zinc containing species on the substrate;

b) 산소 원을 공급하여 산소 함유 화학종을 증착시키는 단계;b) supplying an oxygen source to deposit an oxygen containing species;

c) 도펀트 소스로서 질소 원을 공급하여 질소 함유 화학종을 도핑시키는 단계; 및c) supplying a nitrogen source as a dopant source to dope the nitrogen containing species; And

d) 산소 분위기 하에서 후열처리하여 홀을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.d) post-heat treatment in an oxygen atmosphere to generate holes.

본 발명에 있어서, 상기 ALD에 따른 산화아연 박막의 증착 단계는 바람직하게는, In the present invention, the deposition step of the zinc oxide thin film according to the ALD is preferably,

a') 반응기에 아연 원을 공급하여 기판 상에 아연 함유 화학종을 증착시키는 단계; a ') supplying a zinc source to the reactor to deposit zinc containing species on the substrate;

b') 미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 1 정화 단계; b ') a first purification step of removing unreacted zinc sources and reaction byproducts;

c') 반응기에 산소 원을 공급하여 상기 아연 함유 화학종이 증착된 기판 상에 산소 함유 화학종을 증착시키는 단계; c ') supplying an oxygen source to the reactor to deposit oxygen containing species on the substrate on which the zinc containing species are deposited;

d') 미반응 산소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 2 정화 단계;d ') a second purge step of removing unreacted oxygen sources and reaction byproducts;

e') 반응기에 도펀트로서 질소 원을 공급하여 상기 산소 함유 화학종이 증착된 기판 상에 질소 함유 화학종을 도핑시키는 단계; 및e ') supplying a nitrogen source as a dopant to the reactor to dope the nitrogen containing species onto the substrate on which the oxygen containing species are deposited; And

f') 미반응 질소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 3 정화 단계를 포함할 수 있다. f ') a third purge step that removes unreacted nitrogen sources and reaction byproducts.

또한, 선택적으로, 상기 ALD에 따른 산화아연 박막의 증착 단계는:Also optionally, the depositing of the zinc oxide thin film according to the ALD is:

a'') 아연 원을 공급하여 기판 상에 아연 함유 화학종을 증착시키는 단계;a '') supplying a zinc source to deposit zinc containing species on the substrate;

b'') 미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 1 정화 단계;b '') a first purification step of removing unreacted zinc sources and reaction byproducts;

c'') 도펀트 소스로서 질소 원을 공급하여 상기 아연 함유 화학종이 증착된 기판 상에 질소 함유 화학종을 도핑시키는 단계; c '') supplying a nitrogen source as a dopant source to dope the nitrogen containing species onto the substrate on which the zinc containing species are deposited;

d'') 미반응 질소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 2 정화 단계;d '') a second purge step of removing unreacted nitrogen sources and reaction byproducts;

e'') 산소 원을 공급하여 상기 질소 도핑된 기판 상에 산소 함유 화학종을 증착시키는 단계; 및e '') supplying an oxygen source to deposit oxygen containing species on the nitrogen doped substrate; And

f'') 미반응 산소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 3 정화 단계를 포함할 수 있다.f '') a third purge step that removes unreacted oxygen sources and reaction byproducts.

상기 각각의 정화 단계에서 세정 가스 (purge gas)가 도입된 후 다시 반응 기체가 도입되면 기판 상에 흡착된 이전 반응물과 반응하여 박막을 형성하게 된다. 이 경우, 원하는 목표 두께의 산화아연 막이 형성될 때까지 상기 a) 내지 c) 단계, 바람직하게는 상기 a') 내지 f') 또는 a'') 내지 f'') 단계를 수회 반복 실시할 수 있다. In each purification step, when a purge gas is introduced and then a reaction gas is introduced again, the reaction gas is reacted with a previous reactant adsorbed on the substrate to form a thin film. In this case, steps a) to c), preferably a ') to f') or a '') to f '') may be repeatedly performed several times until a zinc oxide film having a desired target thickness is formed. have.

도 1에 참고적으로 보인 바와 같이, 세 가지 펄스가 하나의 사이클로써 산화아연 박막을 형성한다. 상기 주기 수를 조정하는 것으로 박막 두께를 아주 정밀하게 제어할 수 있으며, 또한 도입 물질의 사이클 수를 조절함으로써 도핑 농도를 아주 정밀하게 제어할 수 있다. As shown in FIG. 1 , three pulses form a zinc oxide thin film in one cycle. By adjusting the number of cycles, the thickness of the thin film can be controlled very precisely, and the doping concentration can be controlled very precisely by adjusting the number of cycles of the introducing material.

상기 정화 단계에서 잉여의 미반응 기체 및 반응 부산물은 세정 가스 (purge gas)에 의해 제거되고, 상기 세정 가스가 도입된 후 다시 반응 기체가 도입되면 기판 상에 흡착된 이전 반응물과 반응하여 박막을 주기 당 형성하게 된다. 이러한 주기 당 증착되는 층이 제한되면서 표면 반응 제한 (surface reaction limiting) 상태로 박막 증착이 이루어진다.In the purifying step, the excess unreacted gas and reaction by-products are removed by a purge gas, and when the reactant gas is introduced again after the purge gas is introduced, it reacts with the previous reactant adsorbed on the substrate to give a thin film. Will form sugar. Thin film deposition is performed in a surface reaction limiting state while the layers deposited per cycle.

본 발명에 있어서, 상기 아연 함유 화학종의 소스 (source)인 아연 원은 특히 한정하는 것은 아니나, 바람직하게는 염화아연 (ZnCl2), 디메틸아연 (Me2Zn), 디에틸아연 (Et2Zn), 아세트산아연 (Zn(CH3COO)2) 등에서 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 디메틸아연을 사용할 수 있다. 이는 디메틸아연을 아연 원으로 사용함으로써 낮은 녹는점을 갖는 기질을 사용할 수 있어 공정온도를 상대적으로 낮게 유지할 수 있는 장점이 있고, 반응기 부식의 염려가 적으며, 또한 산화아연 단결정 면의 성장에 효과적일 수 있기 때문이다. In the present invention, the source of zinc of the zinc-containing species is not particularly limited, but is preferably zinc chloride (ZnCl 2 ), dimethylzinc (Me 2 Zn), diethylzinc (Et 2 Zn). ), Zinc acetate (Zn (CH 3 COO) 2 ), and the like, and more preferably dimethylzinc can be used. The use of dimethylzinc as a zinc source enables the use of a substrate having a low melting point, thus keeping the process temperature relatively low, reducing the risk of reactor corrosion and increasing the growth of zinc oxide single crystals. Because it can.

본 발명에 있어서, 상기 산소 함유 화학종의 소스인 산소 원은 특히 한정하는 것은 아니나, 바람직하게는 고순도의 물 또는 산소 기체를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 고순도의 물을 사용할 수 있다.In the present invention, the oxygen source that is the source of the oxygen-containing species is not particularly limited, but preferably, high purity water or oxygen gas may be used, and more preferably high purity water may be used.

본 발명에 있어서, p 형 산화아연 박막을 제조하기 위한 도펀트 소스로서 질소 함유 화학종인 N2O, NO2 또는 암모니아 (NH3)를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 암모니아를 1 ~ 10 sccm의 유량으로 주입하여 N이 도핑된 산화아연 박막을 성장시킬 수 있다.In the present invention, as the dopant source for preparing the p-type zinc oxide thin film, nitrogen-containing species such as N 2 O, NO 2 or ammonia (NH 3 ) may be used, but preferably, ammonia is used at a flow rate of 1 to 10 sccm. N-doped zinc oxide thin films may be grown by implantation.

본 발명에 있어서, 가장 바람직하게는 상기 아연 원으로 디메틸아연을, 상기 산소 원으로 물을, 그리고 상기 도펀트 소스로 암모니아를 각각 사용하여 박막 결정의 균일성 및 덮임성이 향상된 산화아연 박막을 얻을 수 있다.In the present invention, a zinc oxide thin film having improved uniformity and covering property of thin film crystals can be obtained by using dimethyl zinc as the zinc source, water as the oxygen source, and ammonia as the dopant source, respectively. have.

본 발명에 사용되는 기판은 통상적인 것을 사용할 수 있으며, 대표적으로는 사파이어, 실리콘 또는 유리 기판 등을 사용할 수 있다.As a board | substrate used for this invention, a conventional thing can be used and a sapphire, a silicon, a glass substrate, etc. can be used typically.

본 발명에 있어서, 기판 온도는 상술한 원자층 증착법에 의해 막 특성이 우수하고 계면 문제가 없는 산화아연 박막을 형성하기 위해 유의적으로 설정되어야 한다. 이를 위해 증착 기체의 증기압이 일정하게 유지되어야 하는데, 본 발명에 따른 바람직한 반응기의 압력은 1 내지 10 torr로 적정 유지되어야 한다. 반응기의 압력이 1 torr 보다 낮으면 반응속도가 느려지는 문제점이 생긴다.In the present invention, the substrate temperature must be set significantly to form a zinc oxide thin film having excellent film properties and no interface problems by the above-described atomic layer deposition method. For this purpose, the vapor pressure of the deposition gas must be kept constant, and the pressure of the preferred reactor according to the present invention should be maintained at 1 to 10 torr. If the pressure of the reactor is lower than 1 torr, there is a problem that the reaction rate is slow.

상기 압력 범위에서 본 발명에 따른 기판의 유지 온도는 110 ℃ 내지 220 ℃ 범위가 바람직하며, 보다 바람직하게는 150 ℃ 내지 180 ℃ 범위로 유지함이 바람직하다. 이때, 기판의 유지 온도가 110 ℃보다 낮으면 반응에 필요한 에너지의 부족으로 결정성 막이 형성되지 않으며, 220 ℃ 보다 높은 온도에서는 아연의 과다증착으로 질이 떨어지는 문제점이 있다.In the pressure range, the holding temperature of the substrate according to the present invention is preferably in the range of 110 ° C to 220 ° C, more preferably in the range of 150 ° C to 180 ° C. At this time, if the holding temperature of the substrate is lower than 110 ℃ does not form a crystalline film due to the lack of energy required for the reaction, there is a problem that the quality is lowered due to excessive deposition of zinc at a temperature higher than 220 ℃.

본 발명에 있어서, 상기 흡착되는 이온 원의 주기 당 주입되는 펄스 시간(pulse time, 각 단계가 지속되는 시간)을 조절함으로써 도핑 농도를 아주 정밀하게 제어할 수 있다. 이를 위해 상기 단계 a)의 아연 원의 펄스 시간은 주기 당 0.1 ~ 0.2 초, 상기 단계 c)의 질소 원의 펄스 시간은 주기당 0.01 ~ 0.1 초 및 상기 단계 e)의 산소 원의 펄스 시간은 주기 당 0.1 ~ 0.3 초 동안 유지됨이 바람직하다.In the present invention, the doping concentration can be controlled very precisely by adjusting the pulse time injected per cycle of the ion source to be adsorbed. To this end, the pulse time of the zinc source of step a) is 0.1 to 0.2 seconds per cycle, the pulse time of the nitrogen source of step c) is 0.01 to 0.1 seconds per cycle and the pulse time of the oxygen source of step e) is cycles It is preferably maintained for 0.1 to 0.3 seconds per sugar.

본 발명에 있어서, 상기 미반응 물질 및 반응 부산물은 진공 정화 또는 아르곤 기체를 포함하는 비활성 기체를 공급, 정화시켜 제거될 수 있다.In the present invention, the unreacted material and reaction by-products can be removed by supplying and purifying vacuum inert gas or inert gas containing argon gas.

이후, 단계 (나)에서는, 상술한 바와 같은 a) 내지 c) 단계, 바람직하게는 a') 내지 f') 또는 a'') 내지 f'') 단계를 갖는 사이클을 수회 실시하여 원하는 목표 두께까지 성장시킨 박막을 산소 분위기에서 후열처리하여 주기 당 생성되는 NH 또는 NH2, NH3 등을 포함하는 NHX의 수소를 제거하고 질소원자만 남겨 홀을 생성시킴으로써 p 형 산화아연 박막을 형성한다. Subsequently, in step (b), a cycle having the steps a) to c) as described above, preferably a ') to f') or a '') to f ''), is carried out several times to obtain a desired target thickness. The thin film grown up to is post-heated in an oxygen atmosphere to remove hydrogen of NH or NH X , which is generated per cycle, or NH 2 , and NH 3. The p-type zinc oxide thin film is formed by forming holes by leaving only nitrogen atoms.

본 발명에 있어서, 상기 질소의 농도를 충분히 높이기 위한 바람직한 열처리 온도는 800 ℃ 내지 1000 ℃ 이다. 열처리 온도가 800 ℃ 보다 낮은 경우에는 에너지가 충분하지 않아 p 형의 산화아연 박막 제조에 유의적이지 못하며, 1000 ℃ 보다 높으면 사파이어 기판에 문제가 발생할 수 있다.In the present invention, the preferred heat treatment temperature for sufficiently increasing the concentration of nitrogen is 800 ℃ to 1000 ℃. If the heat treatment temperature is lower than 800 ℃, the energy is not enough to produce a p-type zinc oxide thin film is not significant, if higher than 1000 ℃ may cause problems with the sapphire substrate.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings to help the understanding of the present invention will be described in more detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 당 소스 공급 시퀀스를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 원자층 증착법에 따른 시퀀스 1 (sequence 1)의 도입 순서는 DEZn - NH3 - H2O 이며, 시퀀스 2 (sequence 2)의 도입 순서는 DEZn - H2O - NH3 이다. 1 is a diagram illustrating a source supply sequence per cycle according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the order of introduction of Sequence 1 according to the atomic layer deposition method is DEZn-NH 3 -H 2 O, and the order of introduction of Sequence 2 is DEZn-H 2 O-NH 3 . .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 도핑 후 ZnO 박막의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다. 이는 실시예의 해당 부분에서 설명한다. Figure 2 is a graph showing the electrical characteristics of the ZnO thin film after ammonia doping according to an embodiment of the present invention. This is described in the corresponding part of the embodiment.

또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 도핑 및 후열처리에 의한 효과를 나타내는 원자모델의 모식도이다. 도 3을 참조하면, 산화아연 박막의 전기적 특성을 나타내는 캐리어 농도와 이동도의 변화에 있어서 도 1에 보인 시퀀스 1 및 시퀀스 2에 따른 차이점을 도 3의 모델로서 설명될 수 있다. 3 is a schematic diagram of an atomic model showing the effect of ammonia doping and post-heat treatment according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 3, it is the difference of the sequence 1 and sequence 2 shown in FIG. 1, the change in carrier concentration and the mobility indicates the electric characteristics of the zinc oxide thin film can be described as a model in Fig.

시퀀스 1의 경우 Zn이 증착된 후 NH3가 도핑되면 다음 반응식 1과 같이 기판 표면의 -C2H5와 반응하고 흡착된다. In the case of sequence 1, when NH 3 is doped after Zn is deposited, it reacts with and adsorbs on -C 2 H 5 on the substrate surface as in Scheme 1 below.

NH3 + S-C2H5 → NH2 + C2H6NH 3 + SC 2 H 5 → NH 2 + C 2 H 6

여기서, S는 기판 표면 (surface)을 나타낸다. Where S denotes the substrate surface.

다음 단계에서, H2O가 공급되어 기판 표면의 -C2H5와 반응하면 OH가 생성된다.In the next step, H 2 O is supplied and reacts with -C 2 H 5 on the substrate surface to produce OH.

H2O + S-O-Zn-C2H5 → S-O-Zn-OH + C2H6H 2 O + SO-Zn-C 2 H 5 → SO-Zn-OH + C 2 H 6

도 3의 기판 그림에는 증착상태 (as-grown)의 ZnO 박막에 일반적으로 존재한다고 알려진 산소 공공 (vacancy)이 묘사되어 있으며, 이 공공은 ZnO 박막이 n 형의 특성을 띄게 한다. The substrate plot of FIG. 3 depicts oxygen vacancies known to be commonly present in as-grown ZnO thin films, which make the ZnO thin films exhibit n-type properties.

다음 단계에서 DEZn이 공급되어 기판 표면의 -OH 와 반응하여 -C2H5 로 종단되어 1 사이클이 완성되고 ZnO 1 분자층이 성장된다.In the next step, DEZn is fed and reacts with -OH on the substrate surface, terminated with -C 2 H 5 to complete one cycle and grow a ZnO 1 molecular layer.

Zn(C2H5)2 + S-OH → S-O-Zn-C2H5 + C2H6Zn (C 2 H 5 ) 2 + S-OH → SO-Zn-C 2 H 5 + C 2 H 6

이때, -OH 사이에 존재하던 NH2는 NH로 변화된다.At this time, NH 2 existing between -OH is changed to NH.

Zn(C2H5)2 + S-NH2 → S-NH-Zn-C2H5 + C2H6Zn (C 2 H 5 ) 2 + S-NH 2 → S-NH-Zn-C 2 H 5 + C 2 H 6

이와 같이, 1 사이클이 진행되면 ZnO 부르짜이트 격자 (wurtzite lattice)의 일부에 산소 대신에 NH가 위치하게 된다. Zn 원자와 결합한 NH 불순물은 질소가 수소에 의해 부동화 (passivation)되었으므로 홀을 생성하지 못한다. 만약, 이 단계에서 열처리 공정이 수행되면 NH의 수소가 제거되고 질소 원자만 남으므로 홀을 생성할 수 있는 억셉터로 작용한다. 그러므로, n 형 ZnO 박막은 ZnO 박막 내의 질소 농도만 충분히 높다면 p 형으로 바뀔 수 있다. As such, after one cycle, NH is placed in place of oxygen in a portion of the ZnO wurtzite lattice. NH impurities combined with Zn atoms do not produce holes because nitrogen is passivated by hydrogen. If the heat treatment process is performed in this step, since hydrogen of NH is removed and only nitrogen atoms remain, it acts as an acceptor capable of generating holes. Therefore, the n-type ZnO thin film can be changed to p-type if only the nitrogen concentration in the ZnO thin film is sufficiently high.

ZnO 박막에서 산소 자리에 위치한 NH 불순물은 as-grown 상태에서는 중성이나 열처리에 의하여 이온화된 억셉터로 바뀌는 것이다. 일반적으로, 캐리어 이동도는 중성의 불순물 보다는 이온화된 불순물에 의해 크게 변화된다. 그러므로, 시퀀스 1으로 성장된 ZnO 박막의 캐리어 이동도는 열처리에 의하여 감소하게 된다. NH impurities located in oxygen sites in the ZnO thin film are converted into ionized acceptors by neutral or heat treatment in the as-grown state. In general, carrier mobility is greatly changed by ionized impurities rather than neutral impurities. Therefore, carrier mobility of the ZnO thin film grown in the sequence 1 is reduced by heat treatment.

반면, 시퀀스 2의 모델은 도 3의 오른편에 나타낸 바와 같이 두 가지의 가능성이 있다.On the other hand, the model of the second sequence are the two possibilities, as shown in the right side of Fig.

(1) 첫번째 가능성은 도핑된 NH3가 다음 식과 같이 질소와 산소로 분리되는 것이다.(1) The first possibility is that the doped NH 3 is separated into nitrogen and oxygen as

NH3 → N + 2/3 H2NH 3 → N + 2/3 H 2

질소 원자는 중성의 침입형 원자로서 격자의 틈새 자리 (interstitial site)에 존재하고 수소는 제거된다. 이 질소 원자는 이미 아연 원자와 결합을 이루고 산소 원자를 치환하기는 어려우며 주위에 존재하는 산소 공공 자리에 위치하게 된다. 이 산소 공공은 실제로는 침입형 질소 원자와 상당히 떨어져 있을 확률이 높으므로 산소 공공 자리로 이동하지 못하여 홀을 생성하지 못한다. 그러므로, as-grown 상태의 ZnO 박막은 n 형 반도체의 특성을 나타내며, 열처리에 의하여 충분한 에너지가 공급되면 질소 원자가 산소 공공 위치까지 이동하여 p 형 특성을 나타내게 된다.Nitrogen atoms are neutral invasive atoms that exist in the interstitial site of the lattice and hydrogen is removed. The nitrogen atom already bonds with the zinc atom, making it difficult to replace the oxygen atom and is located in the oxygen vacancies that exist around it. The oxygen vacancies are actually very likely to be far from the invasive nitrogen atoms, so they cannot move to the oxygen vacancies and create holes. Therefore, the ZnO thin film in the as-grown state exhibits the characteristics of the n-type semiconductor, and when sufficient energy is supplied by heat treatment, the nitrogen atoms move to the oxygen vacancy and show the p-type characteristic.

(2) 두 번째 가능성은 도핑된 NH3가 기판 표면의 -OH와 반응하여 다음 식과 같이 NH4 +-O2 - 결합을 이루는 것이다.(2) The second possibility is that the doped NH 3 reacts with -OH on the substrate surface to form an NH 4 + -O 2 - bond as shown in the following equation.

NH3 + OH- → NH4 +-O2 - NH 3 + OH - → NH 4 + -O 2 -

그 다음, DEZn 펄스 단계에서는 NH4 + 자리를 제외하고는 반응식 2와 같은 반응이 이루어진다. 이 NH4 + 역시 질소 원자가 수소 원자로 부동화되어 있으므로 억셉터로 작용하지 못하며 NH4 +가 아연 위치에 존재하기에는 너무 크므로 주위의 Zn-C2H5 까지도 형성되지 못할 확률이 높다. 이 단계에서 열처리를 받으면 NH4 +는 다음 식과 같이 분해되고 분해된 질소 원자가 주위의 산소 공공 위치로 이동하여 p 형 억셉터로 작용하게 된다.Then, in the DEZn pulse step, the reaction as in Scheme 2 is performed except for the NH 4 + site. This NH 4 + also has a nitrogen atom immobilized to a hydrogen atom, and thus does not act as an acceptor. Since NH 4 + is too large to exist at the zinc position, there is a high possibility that even surrounding Zn—C 2 H 5 may not be formed. When the heat treatment is performed in this stage, NH 4 + is decomposed and the decomposed nitrogen atoms move to the oxygen vacancies around them to act as p-type acceptors.

NH4 + + e- → N + 2H2 NH 4 + + e - → N + 2H 2 ↑

상술한 바와 같은 (1) 및 (2)의 가능성은 모두 질소 불순물이 산소 자리에 이동한 후 열처리 공정을 통하여 이온화된 억셉터가 홀을 발생시킨다. 도 3의 아래쪽 그림을 보면 열처리 후, 기판 내의 산소 공공이 시퀀스 1의 경우는 여전히 존재하고 있으며, 시퀀스 2의 경우에는 충분히 감소한다. 이 차이로 인하여 시퀀스 2의 경우가 시퀀스 1의 경우에 비하여 높은 캐리어 이동도를 나타내는 것이다. 산소 분위기의 열처리에 의하여도 산소 공공의 감소가 발생할 수 있으나, 두 시퀀스에 미치는 영향은 동일할 것으로 보인다.The possibility of (1) and (2) as described above is that the ionized acceptor generates holes through the heat treatment process after the nitrogen impurities move to the oxygen sites. 3 , after the heat treatment, the oxygen vacancies in the substrate still exist in the case of Sequence 1, and are sufficiently reduced in the case of Sequence 2. Due to this difference, the case of Sequence 2 shows higher carrier mobility than that of Sequence 1. The reduction of oxygen vacancies may also occur by heat treatment in an oxygen atmosphere, but the effect on both sequences is likely to be the same.

결론적으로, ALD 사이클에서 p 형 ZnO 박막을 성장시키기 위해서는 NH3 도핑은 H2O 공급 단계의 직전 (DEZn 공급 단계의 직후)에 이루어져야 한다. 그리고, 그 후에 고온의 열처리가 필요하다. In conclusion, in order to grow a p-type ZnO thin film in the ALD cycle, NH 3 doping must be performed immediately before the H 2 O supply step (just after the DEZn supply step). Then, high temperature heat treatment is necessary after that.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 최선의 실시형태를 예시하기 위한 것으로 본 발명의 내용이 하기 실시예만으로 한정되거나 제한되지 않음은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are provided to illustrate the best embodiments of the present invention, and of course, the content of the present invention is not limited or limited to only the following examples.

<< 실시예Example 1> 질소  1> nitrogen 도핑된Doped 산화아연 박막의 제조 Preparation of Zinc Oxide Thin Film

사파이어(0001) 기판에 질소 도핑된 산화아연 박막을 ALD 법으로 성장시켰다. A zinc oxide thin film doped with sapphire (0001) substrate was grown by ALD method.

도펀트로서 NH3를 사용하였고, 아연과 산소의 공급원으로 캐니스터에서 10℃ 로 유지된 DEZn (Diethylzinc) 및 H2O가 사용되었고, 1 사이클 당 주입되는 순서를 DEZn - NH3 - H2O으로 하고 이를 시퀀스 1으로 명명하였다 (도 1 참조). DEZn, NH3 및 H2O의 표준 펄스 시간 (pulse time 또는 step time)은 각각 0.15, 0.05, 0.2 초이며, 각 반응 사이의 세정 시간은 2 초씩이었다. 기판의 온도는 150 ℃로 고정되었으며, NH3의 유량은 1-10 sccm으로 변화되었다. 각 사이클 마다 소스들이 순차적으로 주입되고 세정 (purge) 되었으며, 이 사이클을 1000 회씩 반복하여 목표 두께 ∼3000 Å 을 갖는 ZnO 박막을 성장시켰다. 이후, ZnO 시편은 1000 ℃, 산소 분위기에서 1 시간 동안 후열처리되었다.NH 3 was used as the dopant, DEZn (Diethylzinc) and H 2 O maintained at 10 ° C. in the canister as a source of zinc and oxygen, and the order of injection per cycle was DEZn-NH 3 -H 2 O. This is named sequence 1 (see FIG. 1 ). Standard pulse times (pulse time or step time) of DEZn, NH 3 and H 2 O were 0.15, 0.05 and 0.2 seconds, respectively, and the cleaning time between each reaction was 2 seconds. The temperature of the substrate was fixed at 150 ° C., and the flow rate of NH 3 was changed to 1-10 sccm. Sources were sequentially injected and purged with each cycle, and the cycle was repeated 1000 times to grow a ZnO thin film with a target thickness of 3000 mm 3. Thereafter, the ZnO specimen was post-heated at 1000 ° C. in an oxygen atmosphere for 1 hour.

<< 실시예Example 2> 질소  2> nitrogen 도핑된Doped 산화아연 박막의 제조 Preparation of Zinc Oxide Thin Film

1 사이클 당 주입되는 순서를 DEZn - H2O - NH3으로 하고 이를 시퀀스 2로 명명하였다 (도 1 참조). 소스의 도입 순서가 DEZn - H2O - NH3인 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 산화아연 박막을 제조하였다.The order of injection per cycle was called DEZn-H 2 O-NH 3 and named as Sequence 2 (see FIG. 1 ). A zinc oxide thin film was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the introduction order of the sources was DEZn-H 2 O-NH 3 .

<< 실시예Example 3> 질소  3> nitrogen 도핑된Doped 산화아연 박막의 제조 Preparation of Zinc Oxide Thin Film

실시예 2에서 NH3의 펄스 시간이 0.1 초이고, 그 유량이 10 sccm인 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 산화아연 박막을 제조하였다.A zinc oxide thin film was prepared in the same manner as in Example 2 except that the pulse time of NH 3 was 0.1 sec and the flow rate thereof was 10 sccm in Example 2.

하기 표 1에 실시예 1 ~ 3의 운전 조건을 정리하였다.Table 1 summarizes the operating conditions of Examples 1 to 3.

시편Psalter 펄스 시간 (s)Pulse time (s) NH3 유량 (sccm)NH 3 flow rate (sccm) 기판 온도 (℃)Substrate Temperature (℃) 시퀀스 no.Sequence no. DEZnDEZn H2OH 2 O NH3 NH 3 실시예 1Example 1 0.150.15 0.20.2 0.050.05 33 150150 1One 실시예 2Example 2 0.150.15 0.20.2 0.050.05 33 150150 22 실시예 3Example 3 0.150.15 0.20.2 0.10.1 1010 150150 22

<< 실험예Experimental Example 1> 전기적 특성 비교 1> Comparison of Electrical Characteristics

질소 도핑된 산화아연 박막의 캐리어 농도, 캐리어 이동도 및 전기적 비저항의 전기적 특성을 Hall 측정 장비 (HEM-2000)을 이용하여 측정하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 실시예 1 ~ 3에 따른 세 가지의 시편 모두 증착 상태 (as-grown)에서는 n 형의 특성을 나타내다가 1000 ℃의 산소 열처리 후 p 형의 특성을 나타내었다. 시퀀스 2의 시편은 시퀀스 1의 시편에 비하여 열처리에 의한 캐리어 농도의 변화가 크게 두드러졌다. 이와 같이, ALD 법으로 제작한 p 형 ZnO 박막의 가장 낮은 비저항 값은 17.9 Ω㎝ 이었으며, 이때 홀 농도는 1.59×10173 이었다. The electrical properties of carrier concentration, carrier mobility and electrical resistivity of the nitrogen doped zinc oxide thin film were measured using a Hall measuring instrument (HEM-2000) and the results are shown in FIG. 2 . All three specimens according to Examples 1 to 3 exhibited n-type characteristics in the as-grown state, and then showed p-type characteristics after oxygen heat treatment at 1000 ° C. The specimen of Sequence 2 had a much higher change in carrier concentration due to heat treatment than the specimen of Sequence 1. As described above, the lowest resistivity of the p-type ZnO thin film produced by the ALD method was 17.9 Ωcm, and the hole concentration was 1.59 × 10 17 cm 3 .

결과적으로, 암모니아 유량을 3 sccm으로 적용하였을 때 시퀀스 1에 비하여 시퀀스 2의 시편은 as-grown 상태에서 더 높은 n 형 캐리어 농도를 나타내었으며 열처리 후엔 더 높은 p 형 캐리어 농도를 나타내었다. 열처리된 ZnO 시편은 암모니아 유량 3 sccm에 비하여 10 sccm이 적용된 경우에 더 높은 p 형의 캐리어 농도와 더 낮은 이동도를 나타내었다. 열처리에 의한 캐리어 이동도 변화는 시퀀스 1의 경우에는 감소하였으나, 시퀀스 2의 경우는 증가하였다. As a result, when the ammonia flow rate was applied at 3 sccm, the specimen of Sequence 2 showed a higher n-type carrier concentration in the as-grown state and a higher p-type carrier concentration after heat treatment. The heat-treated ZnO specimens showed higher p-type carrier concentration and lower mobility when 10 sccm was applied compared to 3 sccm of ammonia flow rate. The carrier mobility change by heat treatment decreased in the case of Sequence 1 but increased in the case of Sequence 2.

캐리어 농도와 이동도는 NH3의 펄스 시간과 주입 순서에 크게 의존하였다. 캐리어 이동도는 ALD 공정이 시퀀스 1으로 진행되었을 경우 증착 상태 (as-grown)에서 높았으나 열처리 후에 감소하였고, 시퀀스 2로 진행되었을 경우, as-grown 상태에서 낮았으나 열처리 후에 증가하였다. 시퀀스 1 및 2 두 가지 경우 모두 as-grown 상태에서는 n 형 특성을 나타내었으나 열처리 후 p 형으로 전환되었으며 시퀀스 2는 열처리 후 캐리어 농도가 시퀀스 1 보다 크게 증가하였다.Carrier concentration and mobility depended heavily on the pulse time and injection sequence of NH 3 . Carrier mobility was high in the as-grown when the ALD process proceeded to Sequence 1 but decreased after the heat treatment, and decreased after the heat treatment when proceeded to the Sequence 2, but increased after the heat treatment. Both sequences 1 and 2 exhibited n-type characteristics in as-grown state, but were converted to p-type after annealing. In sequence 2, carrier concentration increased more than sequence 1 after annealing.

본 발명에 의한 광학적, 구조적, 전기적 특성이 우수한 양질의 산화아연 반도체 박막의 구현은 산화아연 산화물 반도체를 이용한 발광다이오드 및 레이저다이오드의 대량 생산을 위한 기본적 단계인 양질의 산화아연 박막을 제공함으로써 산화아연 산화물 반도체의 대량 생산을 위한 상업화를 가속화시킬 수 있다. 또한, 후열처리 공정으로 인한 광학적/전기적 특성이 우수한 p 형 산화아연 박막을 구현함으로써 발광디바이스 특성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 산화아연에 존재하는 결함을 줄여줄 수 있어 발광디바이스의 효율을 증가시키는 효과가 있다.Implementation of a high quality zinc oxide semiconductor thin film having excellent optical, structural and electrical properties according to the present invention provides a high quality zinc oxide thin film which is a basic step for mass production of light emitting diodes and laser diodes using zinc oxide oxide semiconductors. Commercialization for mass production of oxide semiconductors can be accelerated. In addition, by implementing a p-type zinc oxide thin film excellent in the optical and electrical properties due to the post-heat treatment process it is possible to improve the light emitting device characteristics. In addition, it is possible to reduce the defects present in the zinc oxide has the effect of increasing the efficiency of the light emitting device.

Claims (14)

a) 아연 원을 공급하여 기판 상에 아연 함유 화학종을 증착시키는 단계;a) supplying a zinc source to deposit zinc containing species on the substrate; b) 산소 원을 공급하여 상기 아연 함유 화학종이 증착된 기판 상에 산소 함유 화학종을 증착시키는 단계;b) supplying an oxygen source to deposit an oxygen containing species on the substrate on which the zinc containing species are deposited; c) 도펀트 소스로서 질소 원을 공급하여 상기 산소 함유 화학종이 증착된 기판 상에 질소 함유 화학종을 도핑시키는 단계; 및c) supplying a nitrogen source as a dopant source to dope the nitrogen containing species onto the substrate on which the oxygen containing species are deposited; And d) 산소 분위기 하에서 후열처리하여 홀을 생성하는 단계를 포함하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.d) A method of manufacturing a p-type zinc oxide thin film by an atomic layer deposition method comprising the step of post-heat treatment in an oxygen atmosphere to produce a hole. a') 반응기에 아연 원을 공급하여 기판 상에 아연 함유 화학종을 증착시키는 단계;a ') supplying a zinc source to the reactor to deposit zinc containing species on the substrate; b') 미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 1 정화 단계;b ') a first purification step of removing unreacted zinc sources and reaction byproducts; c') 산소 원을 공급하여 상기 아연 함유 화학종이 증착된 기판 상에 산소 함유 화학종을 증착시키는 단계; c ') supplying an oxygen source to deposit an oxygen containing species on the substrate on which the zinc containing species are deposited; d') 미반응 산소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 2 정화 단계;d ') a second purge step of removing unreacted oxygen sources and reaction byproducts; e') 도펀트 소스로서 질소 원을 공급하여 상기 산소 함유 화학종이 증착된 기판 상에 질소 함유 화학종을 도핑시키는 단계; 및e ') supplying a nitrogen source as a dopant source to dope the nitrogen containing species onto the substrate on which the oxygen containing species are deposited; And f') 미반응 질소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 3 정화 단계를 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.f ') A method for producing a p-type zinc oxide thin film by atomic layer deposition, comprising a third purifying step of removing unreacted nitrogen sources and reaction by-products. a") 아연 원을 공급하여 기판 상에 아연 함유 화학종을 증착시키는 단계;a ") supplying a zinc source to deposit zinc containing species on the substrate; b") 미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 1 정화 단계;b ") a first purification step to remove unreacted zinc sources and reaction byproducts; c") 도펀트 소스로서 질소 원을 공급하여 상기 아연 함유 화학종이 증착된 기판 상에 질소 함유 화학종을 도핑시키는 단계; c ") supplying a nitrogen source as a dopant source to dope the nitrogen containing species onto the substrate on which the zinc containing species are deposited; d") 미반응 질소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 2 정화 단계;d ") a second purge step of removing unreacted nitrogen sources and reaction byproducts; e") 산소 원을 공급하여 상기 질소 도핑된 기판 상에 산소 함유 화학종을 증착시키는 단계; 및e ″) supplying an oxygen source to deposit oxygen containing species on the nitrogen doped substrate; and f") 미반응 산소 원 및 반응 부산물을 제거하는 제 3 정화 단계를 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p 형 산화아연 박막의 제조 방법.f ") A method for producing a p-type zinc oxide thin film by atomic layer deposition, comprising a third purifying step of removing unreacted oxygen sources and reaction by-products. 제 1항에 있어서, 상기 단계 a) 내지 c)를 1 주기로 하여 목표 두께의 산화아연 막이 형성될 때까지 상기 주기를 반복하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method of manufacturing a p-type zinc oxide thin film according to claim 1, wherein the cycle is repeated until a zinc oxide film having a target thickness is formed using the steps a) to c) as one cycle. 제 1항에 있어서, 상기 아연 원이 디메틸아연인 것임을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method for producing a p-type zinc oxide thin film according to claim 1, wherein the zinc source is dimethyl zinc. 제 1항에 있어서, 상기 산소 원이 고순도의 물 또는 산소 기체인 것임을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method for producing a p-type zinc oxide thin film according to claim 1, wherein the oxygen source is water of high purity or oxygen gas. 제 1항에 있어서, 상기 도펀트 소스는 암모니아인 것임을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method of manufacturing a p-type zinc oxide thin film according to claim 1, wherein the dopant source is ammonia. 제 1항에 있어서, 상기 아연 원, 산소 원 및 도펀트 소스가 각각 디메틸아연, 고순도의 물 및 암모니아인 것임을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the zinc source, oxygen source and dopant source are dimethylzinc, high purity water and ammonia, respectively. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, 실리콘 또는 유리 기판임을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the substrate is a sapphire, silicon or glass substrate. 제 1항에 있어서, 상기 기판의 온도는 150℃ 내지 180℃로 유지됨을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the temperature of the substrate is maintained at 150 ° C to 180 ° C. 제 1항에 있어서, 상기 단계 a)는 주기 당 0.1 ~ 0.2 초 동안, 단계 b)는 주기 당 0.1 ~ 0.3 초 동안, 그리고 단계 c)는 주기당 0.01 ~ 0.1 초 동안 지속되는 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The atomic layer of claim 1, wherein step a) lasts for 0.1-0.2 seconds per cycle, step b) lasts for 0.1-0.3 seconds per cycle, and step c) lasts for 0.01-0.1 seconds per cycle. A method for producing a p-type zinc oxide thin film by vapor deposition. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 정화 단계는 진공 정화 또는 비활성 기체를 공급하여 정화하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method of claim 2 or 3, wherein the purifying step is performed by vacuum purifying or by supplying an inert gas to purify the p-type zinc oxide thin film by the atomic layer deposition method. 제 1항에 있어서, 상기 후열처리 단계는 800 ℃ 내지 1,000 ℃ 의 산소 분위기 하에서 1~3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the post-heat treatment step is performed for 1 to 3 hours under an oxygen atmosphere of 800 ° C to 1,000 ° C. 제 13항에 있어서, 상기 산소 분위기 온도는 1000 ℃ 인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 p형 산화아연 박막의 제조 방법.The method for producing a p-type zinc oxide thin film according to claim 13, wherein the oxygen atmosphere temperature is 1000 ° C.
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